本章内容主要针对那些喜爱技术、希望挖掘3D打印过程中机械奥秘的读者。对于其他读者而言，阅读过前面介绍的3D打印技术的简要说明后，完全可以理解本书的其他内容。所以，如果你对本章内容不感兴趣，可以跳过，直接阅读本书的其他章节。
3D打印的正式名称为“增材制造”，这非常恰当地描述了3D打印机的工作原理。“增材”是指3D打印通过将原材料沉积或黏合为材料层以构成三维实体的打印方法，“制造”是指3D打印机通过某些可测量、可重复、系统性的过程制造材料层。
一台3D打印机可以小到放入一个手提袋，也可以大到一辆微型面包车大小。3D打印机的造价可从几百美元到50万美元不等，它们共同的特点是按照计算机的指示将原材料按层堆积以形成三维物体。
基本打印制造过程
3D打印的本质是制造过程而不是打印过程，这也是当我们听到跨国公司ABC成像公司将3D打印加入其服务范围时便十分好奇的原因。为了解更多，我们联系了负责ABC成像公司3D模型和快速成型业务的约翰·T·李，他邀请我们去ABC成像公司位于华盛顿的总部参观，以了解3D打印的过程。
“ABC成像公司是应客户要求才进入3D打印领域的。”约翰告诉我们。多年来，公司一直从事纸质蓝图的打印和其他打印产品，现在的客户都喜欢三维产品。约翰说：“我们为建筑工程公司制作建筑模型和产品原型，我们的客户希望可以将有形的、可传递的实物展示给其客户。”
ABC成像公司成立于1982年。大约5年前，公司聘请了约翰管理其不断增长的3D模型和快速成型业务。约翰于 20世纪90年代在莱斯大学学习地质学和地球物理学，他在一家生产三维地图的公司工作时接触到了3D打印。
在ABC成像公司位于华盛顿的总部，从精心设计的网站到主会议室完美无瑕的顶级斯堪的纳维亚风格办公桌，无处不彰显着公司的品位与对细节的关注。ABC成像公司已从一家华盛顿的打印店成长为在全球拥有35家分店和550名雇员的公司。在介绍完后，约翰带我们到了ABC成像公司的生产区。其主打印室有教室那么大，里面弥漫着舒适的新工业气息。员工们身着商务休闲服饰，正在维护几台嗡嗡作响的大型工业级3D彩色打印机。
我问约翰他认为3D打印是打印过程还是制造过程，他顿了一下，回答道：“我认为‘3D打印’这个名称基本上是个营销术语。3D打印是制造过程—它可能是一个释放污染物的物理过程。我们在工作中会使用化学品，根据情况有时还要戴防毒面具。”
ABC成像公司拥有不同型号的工业级3D打印机，它们分散在世界各地的各家分公司。在华盛顿总部，其小型3D打印“工厂”位于主生产区几个工位后面的小角落。这个灯火通明的玻璃房曾是公司的小厨房和员工休息室，房间里两个中等规模的工业级3D打印机基本占据了一面墙。
约翰负责的打印业务可在一两天内利用高端3D打印机制造出精致的彩色模型。根据模型的复杂程度以及客户设计文件的类型（是粗略的、未经测试的草稿，还是无懈可击的、可直接打印的设计），制造时间表各不相同。大多数原型打印成白色即可，但一些模型或是地图也需要彩色打印。
在ABC成像公司的打印室里，一台方形机器放在几台3D打印机旁边。方形机器的前端是玻璃的，两边各一臂孔。在机器玻璃板的后面配有强力空气枪。约翰向我们展示了如何将双臂放入孔内，并用空气枪吹散刚打印出来的物体上的粉末。在对面墙上，几个小型的金属池里的溶剂正在沸腾。打印出的物体将浸在池内溶剂里，以完成表面处理并溶解掉残留粉末。
约翰向我们展示了一个白色的帝王豪宅建筑模型。豪宅前面竖立着8根立柱，构筑起了一个庞大的游廊。屋顶上，精致的栏杆环绕着雕刻成放射状的圆顶。豪宅右侧，一道蜿蜒的楼梯把游客引向前门。
豪宅屋顶露台的围栏像蛛丝一样细，如此精致的建筑模型既无法用注压成型这样的传统塑料加工技术实现，工匠也不能用雕刻工具以其精湛的技巧将模型从塑料块中雕塑出来，传统的硬纸板模型也不能胜任。如果要雕刻出游廊柱子后面的开阔空间，柱子就会在压力下折断。
约翰想在打印创作方面不断突破，想制作更精致的物体。他说：“3D打印让你可以制造一些令人称奇的模型和零部件，一些用3D打印制作的几何体是无法用其他方法制作出来的。”
图5–1?3D打印的最终模型：一座古老的修道院
图片来源：Midwest Studios. Photo：Ed Watson
3D打印机的两大家族
向人们介绍3D打印时，我经常会说3D打印有两大家族，第一个家族通过沉积原材料层制造物体，第二个家族通过黏合原材料制造物体。
第一个家族我们称之为“选择性沉积打印机”—将原材料沉积为层，这类打印机通过某种注射器或打印头注射、喷洒或挤压液体、胶状物或粉末状的原材料。家庭或办公室应用的通常是沉积型3D打印机，这是因为激光或工业热风枪相对来说容易产生危险。
第二个家族是将原材料黏合在一起（不是放置或沉积）的打印机，通常是利用激光或在原材料中加入某种黏合剂来实现，这类打印机被称作“选择性黏合打印机”—利用热或光固化粉末或光敏聚合物。不知道你是否还记得那个推销员的话，他告诉我和我的同学：他是在一台机器上利用激光打印出他的模型的。
喷射、挤压或喷雾打印机
首先，我们探讨使用打印头沉积原材料的选择性沉积打印机。所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。如果你在媒体上看到过诸如MakerBot的消费类3D打印机，你可能已经见过上述这种打印机了。
这类打印机所应用的打印技术的正规学名是FDM（熔融成型）。FDM打印机是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的，他凭借该技术创立了公司。如果一台机器被称作“FDM打印机”，那就意味着这台打印机会通过打印头挤出某种软质材料。
打印头开始工作前，这种类型的3D打印过程已经开始了数个步骤。第一步是定位软件设计文件，该文件可以告知3D打印机的内置软件（就是常说的“固件”）需要打印什么。一旦设计文件准备就绪，用户便将笔记本电脑连接到打印机，并将设计文件保存为能被3D打印机的内置软件读取并使用的特殊格式（我们稍后将详细解释转换过程）。
图5–2
注：白色的物体正在被打印，如果仔细观察可看见锥尖在接触白色部分的顶层并挤出细缕白色塑料。黑色塑料是打印的支撑结构，稍后会洗掉。
图片来源：Stratasys Inc.
一旦打印机固件开始读取文件，它将计算出打印头的机械路径和动作。例如，打印头需要知道在哪里沉积出外形的轮廓，以及在哪里喷射多少材料等。
3D打印机固件完成操作计划后，物理打印过程就可以开始了。沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道（工程师们称作“桁架”）移动。沉积第一层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓。第一层勾勒出物体的基础，就像在咖啡杯底部用铅笔描画出其形状。然后打印头来回扫描以填充轮廓，就像孩子在图画书中按形状填充颜色一样。
第一层打印完成后，打印头会略微抬起，然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程，耐心地打印出设计文件所描绘物体的每个横截面，这一过程可能持续数小时甚至几天。
3D打印家族的这个分支的优点在于其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本。简化版本的成本低、可使用的材料范围广。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。霜状白糖、奶酪和饼干面团是热爱美食的打印爱好者喜爱的原材料。另一种新兴的打印材料是“活体墨水”，它是一种特殊医疗凝胶中的活细胞混合物，医学研究人员使用这种医疗凝胶研究生物打印。
制造公司和设计公司使用昂贵的大型3D打印机，选择性沉积是家庭、学校或办公室的理想选择。即使是低端的3D打印机运行起来也很安静，而且它们使用相对低温的打印头，和高功率激光3D打印机相比，操作更安全。
选择性沉积打印机的主要缺点在于它只能打印可以通过打印头挤出或挤压的材料。熔化的金属或玻璃必须在不同的条件下成形，目前市场上大部分选择性沉积打印机使用的材料是为其特制的一种塑料。3D打印塑料以意大利面状的细条形式按卷出售，其末端直接连接打印机，在打印机中融化并通过打印头挤出。
Polyjet打印机
Polyjet打印机是选择性沉积打印机中最年轻的成员，它由以色列一家名为“Objet Geometries”的公司（2012年与Stratasys公司合并）开发。Polyjet打印机借用了3D打印家族两个主要分支的技术，其打印头将液态光敏聚合物喷射为很薄的层，再通过UV（紫外线）光将其固化。
使用Polyjet打印机打印的好处是喷射的液滴落下后可快速、精确地形成16微米的薄层（参考：一个红细胞的直径约10微米）。Polyjet打印机的精确度高，因此十分适合应用于注重高分辨率形状和快速打印的工业或医疗行业。Polyjet打印机可同时使用多个打印头，因此可以在一个单独的打印作业中使用多种材料。
Polyjet打印机的主要缺点在于其所使用的打印材料的固有局限性，它使用的是一种被称作“光敏聚合物”的塑料。光敏聚合物是一种能对UV光产生反应的、高度专业化的昂贵塑料。塑料是最耐用的制造材料之一，但大部分光敏聚合物仍十分脆弱易碎，这限制了其应用范围。
激光工程化净成形
选择性沉积打印机家族的另一成员是LENS（激光工程化净成形），将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边，遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此，当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓，打印头吹出更多的粉末时，部件就会一层一层地逐渐增长。
这种工艺的优点在于它可以用硬质材料（例如钛和不锈钢）制造物体。这种金属“打印”发明之前，由于3D打印只能使用塑料（聚合物）材料，因此大型产业并不是很重视3D打印。像LENS这样的金属打印工艺出现后，航空航天、汽车等大型产业开始对3D打印产生兴趣。现在，通过LENS技术，人们可以使用硬金属材料制造复杂的物体，例如具有内部冷却通道的钛涡轮叶片。
图5–4?金属粉末吹入激光束，遇到焦点的粉末融化并逐渐形成金属部件
图片来源：Richard Grglls, Optomec, Inc.
由于多个打印头可同时向激光束吹粉末，可以同时使用多种基础金属按不同的比率“打印”合金（混合金属），该比率甚至可以根据打印头的位置调节，生成各种级别的合金。
分层实体制造
最后介绍的一种选择性沉积打印机是LOM（分层实体制造）打印机。LOM打印机不使用打印头生成层，而是像它名字所描述的，将材料薄片层压成一个单独的三维实体。
LOM工艺由设计文件开始，进行打印工作的不是打印头而是刀具或激光束。在设计文件的指引下，刀具将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出。想象将一个咖啡杯放在一张纸片上，沿着杯底的形状切出轮廓。
切完一张薄片后，LOM打印机将切出的部分放至一边，铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起，当制作对象的所有横截面都切好后，将这些切片层按压融合为一个三维实体。LOM打印机制造的一些铝箔模型是利用强大的超声波振动使片材之间产生摩擦力，从而整合为密实的整体。
融合、凝固、黏合式打印机
3D打印机的第二个主要家族是由使用选择性黏合工艺的打印机构成的，这种工艺将原材料融化或凝固为层，许多早期的商业打印机使用的就是这种方法。需要指出，该方法的两种变体得到了广泛应用：SL（立体光刻）和LS（激光烧结）。
立体光刻
SL（立体光刻）是最早商用的3D打印方法之一。想象一下，一个装有液体聚合物的小桶放置于公寓冰箱大小的打印机内部，打印机在一种特殊塑料的表面扫出一束激光。这种塑料是光敏聚合物，当其暴露于UV光下会硬化。每次激光扫描循着所打印形状的轮廓和横截面逐层进行。
每次激光扫描后，可移动的台面会将已打印的部分下沉1毫米。打印的部分下沉到液体中，新的光敏聚合物覆盖其顶部。有些SL打印机以相反的方式工作，激光向上瞄准聚合物，然后抬起（而不是下沉）打印的物体使其底部（而不是顶部）被新鲜液体浸没。
物体通过该方法3D打印出来后，还有其他工作需要做。多余的材料需要洗掉，有些物体表面还需要手工打磨，有时还要根据打印需求将物体放入紫外线“微波炉”中进一步固化。
SL打印的优势在于激光作业快速、精确。多束激光可并行工作，其分辨率比挤压式3D打印头更高。当今的工业级3D打印机可生产出精细的模型和零部件，层薄仅为10微米，比一张薄纸片还要薄。随着光敏聚合物原材料质量的提升，以及应用范围的不断扩大，SL打印机可生产出更多具有特殊材料属性的物体。
图5–5?UV激光循着连续的横截面形状扫描，被固化的部分慢慢地沉入桶中
图片来源：Solid Concepts Inc.
SL打印的缺点在于吸入未固化的光敏聚合物粉尘会中毒，而且光敏聚合物并不像工业注塑成型所使用的热塑性塑料那样结实耐用。由于维护SL打印机的激光器十分复杂且成本高昂，对于大多数家庭用户来说，SL打印机过于昂贵。但是使用来自蓝光光盘的低成本UV激光器的廉价机器市场可能会有所增长。目前的SL打印机一次只能打印一种材料。
图5–6?这是世界上最早的3D打印成果，所用的SL技术可追溯到20世纪80年代
图片来源：Chuck Hull
激光烧结
选择性LS（激光烧结）由得克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。选择性LS使用类似于SL打印机的技术，所不同的是其不使用液态光敏聚合物，而是使用粉末。
和SL一样，很多人很难将LS打印工艺视为一种“打印工艺”。这种打印机以高功率激光束在粉床表面扫描，激光照射到的粉末融化，打印机内部的滚筒在粉床顶部刷上一层新的粉末并将打印台降低1毫米。
用粉末代替液体材料进行打印有其优势：一个用粉末打印出来的物体不太可能在打印过程中倒塌，因为未熔化的粉末可作为其内部支撑。在一些情况下，未使用的松散粉末可回收再利用。由于大部分原材料都可制成粉末形式，比如尼龙、钢、青铜和钛，因此粉末材料应用范围更广。
就缺点而言，使用LS打印机制造的物体表面往往不光滑、多孔。目前LS打印机还不能同时打印不同类型的粉末，不适合家庭或办公室使用。由于某些粉末若处理不当会引发爆炸，所以LS打印机必须使用氮气填充密封腔。
图5–7?一束激光正在熔融金属粉末，打印过程完成后物体最终被埋在粉末下
图片来源：Solid Concepts Inc.
最后，LS打印是高温过程，刚刚打印完的物体不能立刻从机器中取出。视打印层的尺寸和厚度的不同，大型物体可能需要一天的冷却时间。
三维打印
根据另一易混淆的命名惯例，3DP（三维打印）使用一种称作“三维打印”的工艺，其通过打印头将黏合剂或某种胶挤到原材料粉末中。3DP是在20世纪80年代由麻省理工学院的学生保罗·威廉姆斯和他的导师伊莱·萨克斯教授发明的。
那时，商业类增材制造系统使用激光或有毒的打印材料，而且整个系统体积有小卡车大小。早期的增材制造机器操作复杂且价格昂贵。由于3DP是个受欢迎的替代品，因此麻省理工学院在后来将3DP的相关技术申请了专利并授权给了几家公司（这些技术后来成为世界上很多商业类3D打印机的基础）。
图5–8?彩色3DP工艺将彩色胶水喷至淀粉基粉床上，然后再涂一层新的粉末并重复此过程
图片来源：David McCarthy
3DP的突破性在于它的简单。保罗·威廉姆斯对于3DP的愿景相当大胆，特别是在当时那种技术现状下。保罗在他的硕士论文中写道：“台式机生产的目标是只需要按一下按钮就可以制造零部件，而无须其他操作。”他设想作为台式制造系统的3DP将是精确、快速、廉价和易于使用的。
今天，3DP已经实现了其创始人的愿望，成为一种流行的、成本低廉的3D打印方法。由于3DP打印机通过在原材料内挤入胶水生成层，所以并不需要激光，而且有很多原材料可以使用。3DP打印机不需要高功率的组件，因此其操作的能源效率高。不利的一面是它不用激光，从而很难制造出很薄的层，制造出的物体往往表面粗糙。
3DP突出的优势之一就是可以彩色打印。当胶水沉积时，一些附加的彩色墨水也会被喷入，可制造出全彩色三维模型。3DP可使用粉末状材料，从可生产出砂岩状纹理的淀粉状材料到需要在火炉中硬化的粉状陶土，都可以作为3DP的打印材料，还有一些3DP使用玻璃粉末、骨骼粉末、轮胎碎片甚至是锯末。有的打印机还使用青铜等金属粉末，胶合的青铜需要放入熔炉烧结成固体。
整理设计文件
打印过程开始于设计文件，像冰山的水下部分一样，还有大量的准备工作需要完成，包括准备设计文件和设置打印机。在我访问ABC成像公司时，约翰告诉我工作量最大（虽然经常不被视作挑战）的是帮客户将设计文件正确地转为可用文件格式。
设计文件必须可以和3D打印机的内置软件准确交流，打印机的内置软件（或固件）会告诉其机械组件如何操作。为3D打印准备一个完整的设计文件并不是一项简单的工作。
在ABC成像公司，3D打印过程开始于客户提供的设计文件，大部分客户是建筑师或工程师。大多数行业都倾向于使用专业设计软件，例如很多建筑师使用Sketchup进行设计。Sketchup是一款免费的、易于使用的设计工具，它在教育工作者、建筑师和初级设计师中很流行，工程师们喜欢用高端商用实体建模软件制作设计文件。约翰还经常与地理学家、外科医生或地图制造商合作，这些人的数据来源于光学扫描仪、远程传感器或医学图像。
3D打印过程中经常出现的挑战是需要弥补大多数设计软件在开发时并未考虑到3D打印所带来的问题，设计文件以各种令人眼花缭乱的文件格式发送过来，各具问题和挑战。在我访问ABC成像公司时，约翰告诉我：“在二维打印时，如果文件制作糟糕或是毫无吸引力，只要点击‘打印’，你仍然可以最终获得打印文档，虽然那并不是你想要的。”
约翰继续说：“在3D打印中，不是输入糟糕的设计文件就能打印出糟糕的物体，而是你输入糟糕的设计文件，什么都打印不出来。在3D打印中，如果你得到的是糟糕的设计文件，那你最终什么也打印不出来，或是比什么也得不到更糟糕的情况就是浪费了昂贵的原材料。”
大多数设计文件（特别是那些复杂物体的设计文件）需要专家进行调整优化。“尽管人们谈论很多关于设计软件质量的问题，但设计文件制作者的技术才是核心问题。”约翰说，“一个杂乱的设计文件会拖延进度，因为我需要重做并对其进行修正。”
图5–9
注：3D打印世界是复杂的生态系统，它涵盖了软件和硬件的产品（开源代码的）、工具和应用，还包括为个人客户及商业客户提供服务。
图片来源：Tuan TranPham tuan@tranpham.com | @ ttranpham http://www.*****.com/?in/ttranpham
客户提交了他们的设计文件后，接下来约翰便会将文件转换为3D打印的特殊格式STL（标准镶嵌语言）。STL是一种业内标准的有着几十年历史的文件格式，它是由SL打印的发明者、3D系统公司的创始人查克·赫尔创造的，STL文件格式有点儿类似于PostScript文件格式，PostScript可将计算机文件转换为二维打印机能识别和处理的文件格式。
约翰说：“我的大部分工作是质量控制，以确保STL文件正确运行。”当今的STL文件格式退回到了人们对3D打印机没什么要求的年代。STL文件的工作并不轻松，它的一生漫长而杰出，但却无法跟上先进打印技术和设计软件的步伐。
挑战在于STL文件必须将设计的复杂细节转换为直观的数字形式，而这很难传达到3D打印头。例如，工程软件是在机械通过切割制造物体而不是层层堆积制造物体的年代成长起来的。因此，体现着制造血统的工程设计软件仍然在学习如何增材制造而不是切割制造。
在设计文件转换为STL格式后，STL将设计对象的数字形状“包装”在虚拟的表面之内，我们称之为“网格”，其由成千上万（有时数百万）个连锁多边形组成。表面网格上的每个连锁多边形（常用的是三角形）都携带着物体的形状信息。在设计文件转换中，全部的设计表面包括物体可以接触到空气的任何部分，不是工程师的人可能会对此感到些许困惑。例如，一个物体的表面设计既包括物体的外表面，也包括其空心处的内表面。
当STL转换完成，新包装的STL文件的虚拟表面必须是防水的，这有点儿类似于给物体涂上一层防水密封剂。一个防水的STL文件的表面网格可以精确而完整地覆盖和捕捉到设计表面的曲线和内部镂空。就像在密封防水麂皮鞋上的孔洞或缝隙一样，STL文件表面网格的缝隙将会在后续过程中引起问题。
一旦STL准备就绪，连接CAD和CAM的桥梁已经基本完成。即将进行3D打印的物体在完成表面防水网格包装后，还要为其最终阶段做准备：分层制造过程。在此STL文件将完成它的最后一部分工作，打印机固件读取STL文件，将数字网格“切”为虚拟的薄层，这对应着将来3D打印的物理薄层。
STL文件每个虚拟切片都反映着最终打印物体的一个横截面。还记得沿着咖啡杯底描出轮廓吗？该轮廓就等于STL文件中的一个单独的“薄片”的轮廓，也对应着一个单独的3D打印层。轮廓跟踪完成后，打印机需要进行光栅前后扫描以填满内部轮廓，就像填满着色薄中的所有形状。
有些3D打印机配备了内置可视化工具，可对CAD与 STL文件间的转换进行双重检验。未来，智能软件将可以确保设计文件打印出设计者的想象中的物体。同时，像约翰一样的专家将引导所有类型的设计文件由数字模型化身为坚固的、吸引人的3D打印模型。约翰说：“一旦设计文件准备就绪，最难的工作接踵而来。”
如果人们到目前为止所做的全部正确，当设计文件准备好后，打印机将开始自助活动。在打印机深处，微控制器和传感器（类似于纸张打印机的打印驱动）将告诉机器如何操作以确保一切正常。约翰说：“当你点击打印后，打印机可在无人看管的状态下全天候运行。”
图5–10?将打印好的物体从粉床上拣出并清理
图片来源：3D Systems
后处理：3D打印的最后工序
在ABC成像公司，打印过程以后处理来结束。当一项3D打印工作完成后，操作人员重新发挥作用。大多数刚打印完成的物体看起来并不光滑或没有完全成型。新打印的物体从打印机中取出后，需要进行一些人工的准备和清理工作，这个过程称作“后处理”。
在处理复杂的新打印对象时，就像3D打印的其他步骤一样，有其自己的学习曲线。新打印的部分在从机器中出来后可能很脆弱，约翰说：“学习曲线的一部分就是要打破很多东西，还有烧掉很多材料。”
突出的能力使得3D打印成为一种新的强大的塑型方式，而且它将塑型的复杂性转移到了设计和制造过程中。有很多细弱部分、环形或是镂空设计的物体打印起来是最棘手的，想象一下3D打印出布鲁克林大桥或是一个具有宽且薄平顶的建筑模型，那该有多难。
要打印出精致的交错网状结构，达到令人惊叹的效果，一名好的设计师必须考虑支撑结构。支撑材料是伴随着3D打印的持久材料，就像建设项目中的临时脚手架一样，支撑结构可在3D打印过程中帮助物体保持形状。一些打印机需要支撑结构，而另一些则依靠原材料粉末提供支撑，但有些设计者会增加额外的支撑结构应对增加的弹力。支撑材料会在打印结束后的后处理步骤中移除。
后处理的程度和形式由物体设计的复杂性决定，如所使用塑料树脂的类型、对外表的要求。移除支撑材料会使用一些手工打磨、清洗或抛光的手段，根据用途某些物体会被打磨、喷漆或与其他物体焊接在一起。
3D打印催生原材料革命
对于弥合数字世界和物理世界之间差距，如果与设计文件之间的角力是一项挑战，那么另一项挑战就是将原材料变成设计者想要的形式。微小的彩色光点和快速的二进制指令构成了数字世界中的原材料，而在物理世界却不是如此简单和容易掌控的。
今天的3D打印机主要以塑料为原料，虽然塑料已成为低成本的代名词，但3D打印塑料却没那么廉价。事实上，塑料打印材料的成本很快成为3D打印机运行成本中的重要部分。
大部分3D打印机制造商会提供他们自己的专有材料。在ABC成像公司，约翰向我展示盛满打印粉末的存储桶时，他将3D打印塑料的成本比喻为“剃须刀和刀片”的商业模式，他说：“就像吉列，它免费赠送剃须刀，但你只能从吉列买到合适的刀片。”
工业3D打印技术已优化为配置特定厂商的3D打印材料，这一事实针对不同对象阻碍或推动了创新。不利方面在于用户担心制造商的保修服务无效而不愿尝试廉价材料。专属材料的有利方面在于3D打印机制造商将热衷于投资开发高性能的可盈利的原材料，这将推动该技术的进步。
未来，打印材料将包括活体组织或具有微小的计算能力，或具有超乎想象的性能。然而今天的大部分公司和打印爱好者只满足于塑料、金属、陶瓷、半固体食品以及混凝土和玻璃。
塑料是最常用的打印材料，塑料工程师把塑料分成两大类：热塑性塑料和热固性聚合物。它们之间的区别很容易记住，想象为奶酪与鸡蛋的区别。热塑性塑料像奶酪一样加热融化，但其内部结构并不改变，所以它们可以反复融化使用。而热固性聚合物像鸡蛋一样加热后固化，而且内部结构发生改变，因此只能使用一次，不能融化分解为可重复使用的液体。
大多数消费类3D打印机（通过打印头沉积原材料）使用一种名为ABS的热塑性材料，与乐高玩具的材料相同。大部分SL打印机使用光敏热固性聚合物，LS打印机使用热塑性粉末。
3D打印机也可以使用其他类别的塑料，比如软塑料，也叫“弹性体”，就像它的名字一样，这种橡皮筋似的材料具有多种弹力性能。这种材料有些可以从注射器中挤压出来然后风干，比如硅树脂。另一些柔软有弹性的物体可以通过熔融一种热塑性弹性体来打印，就像制造硬质塑料的过程。
在3D打印技术发展早期，质疑者认为这种新技术无法在“真正的”制造机器中立足。为什么？因为那时的3D打印机还不能制造金属零件，现在的3D打印机可打印钢、钛甚至钨这样传统制造工艺很难塑造的硬质金属。
打印金属机械部件是3D金属打印的一种普遍应用，有几种可行的金属打印方法。一种方法是使用多步骤工艺，即首先在金属粉末上涂敷热敏塑料黏合剂，并使用激光选择性地将其融合。接下来，抖掉未熔融的粉末，将剩下的金属部分放置于热炉中烧掉塑料黏合剂。打印金属更直接的方法是通过打印头挤出熔融金属，或是直接用激光融化金属粉末。
图5–11?设计蓝图（上部）和使用各种方法制造出的零件及成本（下部）
图片来源：Robert MacCurdy
家用3D打印机还不能直接打印金属，但是这正在发生改变。消费类3D打印机（例如Fab@Home）可挤出凝胶与金属粉末的混合物。为了使打印凝胶在金属中更坚固，打印对象会被放在炉或窑中烘烤。显然，这个额外的窑烧步骤并不简单—它带来了缩水、开裂和变形的危险。
打印陶瓷具有与手工制作的窑烧陶瓷一样的光滑表面和内部材料性能。一个很有前景的应用是根据病人的CT扫描，3D打印出陶瓷骨植入物。陶瓷骨植入物可以定制，由于它们的孔较少，因此比传统植入物坚固3~5倍。强化的陶瓷骨植入物降低了手术过程中微型碎片断裂的风险，显著地降低了术后炎症发生的
概率。
玻璃是人类文明最常用的材料之一，它是对3D打印最无吸引力的材料。玻璃是疏水性的，也就是说它排斥水，因此不能很好地黏附。玻璃粉末暴露于热量下会产生不可预测的结果。华盛顿大学研究生格兰特·马尔凯利和雷努卡·普拉巴卡以及杜安·斯托尔蒂和马克·甘特尔教授已经在实验室成功地使用再生玻璃打印了物体，然而玻璃打印的商业用途仍主要是艺术和珠宝打印。
随着技术进步，未来3D设计和打印过程将实现自动化而不再需要技术专家。关于3D打印领域有个内部争论，这让人想起半个世纪前关于“电视将进入每个家庭”的争论，当我们访问ABC成像公司，我问约翰怎么看这个问题。
“我认为未来3D打印机可能不会出现在每个家庭或办公室，我看到的是另一种未来，人们并不是提交给仓库订单以获得零部件，而是下载CAD文件并在他们附近的打印商店进行打印。”他补充说，“现在，我们离这种模式已经不远，快递员整天骑着自行车进进出出地为我们的客户送打印产品。”
